基于TI音頻IC研制高保真數字功放

2 數字功放原理與結構
2．1 數字功放的原理
數字功放的基本原理：使用脈沖信號PWM驅動(dòng)高速功率開(kāi)關(guān)，其中PWM信號的低頻部分包含調制信號。該信號通過(guò)一個(gè)低通濾波器，可將調制信號重現負載(音箱)。本質(zhì)上與傳統模擬功放放大模擬信號的差異在于：數字功放直接對數字音頻信號放大，再進(jìn)行高精度D/A轉換，因此效率高達85％；保真度極佳，THD+N(總諧波失真+噪聲)低于0．05％。
2．2 數字功放結構
圖l為數字功放基本結構，它由PWM調制器、H橋開(kāi)關(guān)放大電路以及低通濾波器組成。PWM調制器將輸入的數字音頻信號轉換成PWM信號，其中∑一△調制方法精度高，穩定性好。H橋開(kāi)關(guān)放大電路則控制直流電源的通斷，采用PWM信號電流向負載供電。低通濾波器能濾除開(kāi)關(guān)成分，對輸出波形進(jìn)行平滑處理，從而得到模擬波形的音頻信號。

3 TI數字音頻系列IC簡(jiǎn)介
德州儀器公司(TI)長(cháng)期致力于數字音頻產(chǎn)品的研發(fā)，并取得突破性的成果。其中以TAS55xx，TAS50xx，TAS30xx，TAS-5lxx系列產(chǎn)品最為成熟，性?xún)r(jià)比最高。TAS55xx系列是高度集成的數字音頻器，內部集成了PWM調制與DSP音效處理功能，內置8個(gè)聲道，通道THD+N低于O．05％；TAS50xx系列為高精度音頻PWM調制器，它只有2個(gè)聲道，通道THD+N低于0．0l％，保真度極高；TAS30xx系列是專(zhuān)用的數字音頻DSP，能實(shí)現音量、重低音調節等多種音效：而TAS51xx系列則是專(zhuān)用音頻H橋放大電路。

4 數字音頻功放設計
4．1 設計方案
這里提供2種設計方案，前者是TAS55xx+TAS51xx，可得到8通道數字功放；后者是TAS50xx+TAS30xx+TAS51xx得到2通道數字功放。因為后者設計方案保真度較高，DSP效果更好，成本更低，且所用器件在國內較易買(mǎi)到，以下詳細介紹后一種設計方案。
實(shí)際設計采用TAS5015+TAS3002+TAS5100的組合。其中TAS3002自帶A／D和D／A轉換器，使得系統可接收模擬輸入信號，擴展了產(chǎn)品適用范圍。
4．2 工作流程
圖2給出數字功放的具體工作流程，音源來(lái)自?xún)蓚€(gè)途徑：①通過(guò)高品質(zhì)CD機得到的S／PDIF信號(一種被高端音響商廣泛使用的數字音頻格式)，它通過(guò)格式轉換器DIRl703轉換后進(jìn)入TAS3002；②模擬信號通過(guò)話(huà)筒等拾音設備被TAS3002獲取。系統內數字音頻信號(以SDATA表示)在TAS3002中經(jīng)DSP音效處理后，進(jìn)入PWM調制器TAS5015，轉換成PWM信號。隨后進(jìn)入TAS5100進(jìn)行功率放大，經(jīng)低通濾波器重建模擬信號驅動(dòng)揚聲器。在放大過(guò)程中，如果電路出現異常，TAS5100可自動(dòng)發(fā)出報警信號重置系統，也可手動(dòng)重置，避免事故發(fā)生。

4．3 I2S總線(xiàn)
TI公司的音頻器之間是以I2S(Inter―IC Sound)總線(xiàn)連接。I2S總線(xiàn)是飛利浦公司為數字音頻設備之間的音頻數據傳輸而制定的一種總線(xiàn)標準，該總線(xiàn)音頻設備之間的數據傳輸，廣泛應用于各種多媒體系統。在I2S標準中規定了硬件接口規范和數字音頻數據格式。I2S有3個(gè)主要信號：①串行時(shí)鐘SCLK，也叫位時(shí)鐘(BCLK)，即對應數字音頻的每一位數據，SCLK都有1個(gè)脈沖。SCLK的頻率=2x采樣頻率×采樣位數。②幀時(shí)鐘LRCLK，用于切換左右聲道的數據。LRCLK為“l(fā)”表示左聲道正在傳輸數據，為“0”則表示右聲道正在傳輸數據。LRCLK的頻率等于采樣頻率。③串行數據SDATA用二進(jìn)制補碼表示的音頻數據。有時(shí)為了使系統間能夠更好地同步，還需要另外傳輸一個(gè)信號MCLK，稱(chēng)為主時(shí)鐘，也叫系統時(shí)鐘(SysClock)，是采樣頻率的256倍或384倍。
4．4 核心功能模塊電路
4．4．1 數字音頻輸入
數字音頻輸入電路如圖3所示。該模塊主要利用TI的數字音頻接口器件DIRl703實(shí)現以下功能：①將CD格式的數字音頻信號轉化為PWM調制器TAS5015可識別的串行音頻數據，該數據可直接在I2S總線(xiàn)上傳輸；②產(chǎn)生整個(gè)I2S總線(xiàn)的串行時(shí)鐘BCLK，幀時(shí)鐘LRCLK，以及系統時(shí)鐘SCLK。

DIRl703的引腳20輸入的SPDIF一IN信號即為從CD唱機通過(guò)光纖或者同軸電纜得到的PCM信號；經(jīng)過(guò)DIRl703處理后輸出SDATA信號I2S―DIR1703一OUT；DIRl703的引腳7、8外接晶體振蕩器X120，而引腳4(SCK0)輸出系統時(shí)鐘SCLK信號256XFS；引腳10(LRCK0)輸出串行時(shí)鐘BCLK信號FS；引腳11(BCK0)輸出幀時(shí)鐘LRCLK信號64XFS。